Технологию связи кубитов для квантового компьютера разрабатывают в России

Проект «Магнонный интерконнект» Национального исследовательского университета «МЭИ» участвовал во втором цикле акселератора, который прошел в 2024 году, победил в номинации «Прорыв» и получил сертификат соответствия дорожной карте «Развитие высокотехнологичной области «Квантовые вычисления».

Многие страны мира пытаются создать квантовый компьютер, участвуя в так называемой «квантовой гонке». Квантовый компьютер для расчетов использует кубиты, а не биты, как в классический компьютер. Кубиты — это квантовые биты в суперпозиции, то есть они могут находиться сразу в двух состояниях. Чем больше кубитов в системе, тем большее количество различных сложных задач может быть решено с помощью квантового компьютера. Однако существует проблема масштабируемости. 

Соединение большого количества кубитов между собой представляет собой трудную задачу. Проект «Магнонный интерконнект» направлен на решение данной проблемы. С помощью магнонных интерконнектов можно эффективно соединять кубиты между собой.

«Магнонные интерконнекты — квантовые функциональные элементы, которые рассматриваются как перспективная альтернатива традиционным металлическим линиям передачи и резонаторам для связи кубитов. В основе нашей разработки, созданной совместно НИУ «МЭИ» и ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, лежит использование магнонов — квазичастиц, соответствующих квантовым возбуждениям спиновых волн в магнитных материалах. Это решение обеспечивает более высокую точность передачи квантовой информации, увеличенное время сохранения когерентности состояния, регулируемую частоту связи при комнатной температуре, а также отсутствие необходимости в электрическом токе. Последнее критически важно для снижения энергопотерь, минимизации нагрева и предотвращения декогеренции в квантовых системах», — рассказал руководитель проекта, профессор НИУ «МЭИ» Ансар Сафин.

Сегодня существует несколько квантовых платформ, демонстрирующих наилучшие характеристики. К ним можно отнести сверхпроводники, ионы в ловушках, нейтральные атомы, фотонные платформы и так далее. Но разработка магнонных интерконнектов для каждой платформы не тривиальная задача, поскольку этот квантовый функциональный элемент не является универсальным. Для каждой квантовой платформы дизайн магнонного интерконнекта разрабатывается индивидуально, ввиду особенностей физических процессов и явлений, используемых в разных типах платформ.

«Принцип работы технологии можно описать так: при изменении состояния кубита в магнонном интерконнекте генерируются спиновые волны, которые распространяются через магнитную среду и передают когерентное состояние соседнему кубиту. Этот процесс повторяется для последующих элементов системы. При этом топология соединения кубитов через интерконнекты напрямую влияет на скорость передачи данных. Например, линейные конфигурации могут демонстрировать иную динамику, чем сетчатые или кольцевые структуры, что открывает возможности для оптимизации архитектуры квантовых процессоров», — отметил Ансар Сафин.

Большое влияние на развитие проекта НИУ «МЭИ» оказал Квантовый акселератор, отмечает Ансар Сафин. В рамках программы команда провела масштабный обзор современной научной литературы для углубления в проблематику, множество встреч с представителями различных научных групп, занимающихся разработками в области квантовых технологий, наладила взаимодействие с ними и определила пути дальнейшего сотрудничества.

«Проведенный нами совместно с ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН анализ рынка выявил неожиданно широкий спектр приложений технологии — от квантовых вычислений до телекоммуникаций. Это позволило скорректировать стратегию внедрения. Уже состоялись переговоры с рядом компаний, включая лидеров в области радиоэлектроники и связи. Партнеры подтвердили заинтересованность в интеграции магнонных интерконнектов в свои платформы и выразили готовность к совместной работе над пилотными проектами», — объяснил Ансар Сафин.

На сегодняшний день ученые достигли нескольких значимых успехов в работе над решением, которые заложили основу для перехода к экспериментальной фазе проекта. Во-первых, команда разработала дизайны магнонных интерконнектов, адаптированные для ключевых платформ квантовых вычислений. Во-вторых, с помощью аналитических расчетов и численного моделирования в специализированных программах ученые доказали, что выбранные магнитные материалы, например, железо-иттриевый гранат, обеспечивают рекордно низкие потери и высокую когерентность магнонов при комнатной температуре. Это на порядок превосходит характеристики существующих аналогов на базе плазмонных или фотонных интерконнектов.

«К концу 2025 года мы планируем вывести технологию на четвертый уровень готовности. Сейчас завершена фаза теоретического моделирования: проверены дизайны интерконнектов, созданы аналитические модели. Следующий шаг — переход от симуляций к экспериментам. В данный момент мы заняты адаптацией конструкции под конкретные платформы кубитов и в скором времени планируем перейти к изготовлению первых прототипов магнонных интерконнектов на базе выбранных магнитных материалов. Далее мы будем проводить экспериментальные измерения характеристик изготовленных прототипов (затухание сигналов, когерентность магнонов, скорость передачи данных) и сравнение результатов с нашими аналитическими и численными моделями. На основе полученных данных мы оптимизируем структуру магнонных интерконнектов для минимизации потерь и создадим рекомендации для дальнейшей работы», — заключил Ансар Сафин.